第三章 地球的内部圈层.doc

第三章 地球的内部圈层第一节 地球内部圈层的划分目的要求通过地球内部主要物理性质的特征差别，说明地球具圈层构造。要求学生掌握地壳、地幔和地核三个一级圈层和莫霍面、古登堡面两个一级界面以及各圈层物质组成的差异。 课时：2学时 授课内容 一、地球内部的物理性 o （一）密度 o （二）压力 o （三）温度 o （四）重力 o （五） 磁场 o （六） 弹塑性 二、地球内部圈层的划 o （一）划分依据 o （二）划分 三、地球内部各圈层的物质组成及物理状态 o （一） 地壳 o （二） 地幔 o （三） 地核 四、地核的运动 重点三个一级圈层和两个一级界面。难点地幔、地核物质组成看不见、摸不着，学生很难理解（用橄榄岩标本和陨石成分说明）。教学方法利用多媒体讲授，结合岩石标本及模型观察。讲授重点内容提要 一、 地球内部的主要物理性质 o 密度（density） 密度=质量/体积；0km处密度约2.6g/cm3；33km处密度约2.9g/cm3；33km处密度约3.32g/cm3；2885km处密度约5.56g/cm3；2885km处密度约9.98g/cm3；内核处为12.51 g/cm3；总体规律是：从地表到地心，密度逐渐增大，在33km、2885km以及其他深度，密度突然增高。 o 压力（compressive stress）静岩压力，即压强（intensity of pressure）随深度增加压力不断增加； 33km处为1200Mpa，2885处为135200Mpa，地心处可达361700Mpa。 o 温度（temperature）变温层（外热层）地表受太阳影响，温度一年四季，白天黑夜呈周期变化的表层。常温层外热层之下，地温常年保持不变的地方。地热增温率或地温梯度（geothermal gradient）常温层之下，每向下加深100m所升高的温度，平均3。地热增温级温度每增加1所增加的深度，是地温梯度的倒数。33km处约4001100，2885km处为3700，地核高达4500。 o 重力（gravity） 地球吸引力和离心力的合力。具有随纬度增高而增加的规律。33km为983Gal，2885km为1069Gal， 0km2885km递增，且达最大值；2885km地心递减，最终变为0。 o 磁场（magnetic field）地球周围存在着磁场，称为地磁场（geomagnetic field）。 o 地磁要素（geomagmetic ）磁偏角磁场强度矢量的水平投影与正北方向的夹角，即磁子午线与地理子午线之间的夹角。磁倾角磁场强度矢量与水平面的交角。磁场强度磁场大小的绝对值，平均为50T。磁异常（magnetic anomaly）地球浅部具磁性物质引起的局部异常。 o 地震波（earthquake wave）表3-1 地球各圈层的物理特征 纵波质点振动方向与传播方向相同，速度快，任何物质均可通过，又称P波；横波质点振动方向与传播方向垂直，速度慢，不能通过液态介质，又称S波； 33km处，P波的速度从7.0km/s突然增加至8.1km/s，S波的速度从4.2km/s突然增加至4.4km/s；60100km处，P波从 8.2km/s降至7.93km/s，S波从4.6 km/s降至4.36 km/s；2885km处，P波从13.54km/s降至7.98km/s，S波从7.23km/s降至0；5155km处，S波从0变为3.46km/s。 二、地球内部圈层的划分根据前面讲授的地球内部各种物理性质，尤其是地震波波速的变化，可将地球内部划分为以下三个一级圈层和两个不连续界面： 1. 地壳(crust)033km，大陆型地壳（SiAl层）以花岗岩为代表（用花岗岩标本让学生观察）；大洋型地壳（SiMg层），以玄武岩为代表（用玄武岩标本让学生观察） 2. 地幔（mantle）33 2885km。上地幔（33650km），上部为固态（3360km）；中部为部分熔融状态（60250km，岩浆发源地），上地幔上部固态与地壳组成岩石圈，中部低速层（部分熔融状态）为软流圈；下部为固态（250650km）。下地幔也为固态（650-2885km）。 3. 地核（core）外核（28854170km），液态地核；过渡层（41705155km），固液态过渡带；内核（51556371km），固态地核。 4. 莫霍面（moho discontinuity）前南斯拉夫学者莫霍洛维奇首先发现（1909年）地壳与地幔的不连续面，平均深度为33km。 5. 古登堡面（Gutenberg discontinuity）美国地球物理学家古登堡首先发现（1914年）地幔与地核的分界面，平均深度为2885km。 图3-1 地球内部圈层的划分 三、各圈层物质组成 o （一） 地壳由固态岩石组成，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩（拿几种代表性岩石让学生观察，如砂岩、板岩、闪长岩、花岗岩等等）。 o （二） 地幔1.上地幔由相当于基性岩（橄榄岩）物质组成，其主要矿物为橄榄石、辉石和石榴子石，被称为地幔岩，与石陨石（stone meteorite）相似（拿橄榄岩标本让学生观察）。上地幔上部存在的软流圈是岩浆的重要发源地。 2.下地幔同上地幔物质成分相比，铁的含量相对增加。 o （三） 地核其成分与铁陨石（iron meteorolite）相近，表明主要为铁、镍物质，其次有少量硅、硫等轻元素组成的合金。 四、地核的运动 1. 早就有学者推测地核转动较快，但证据不足。 2. 1996年，旅美中国学者宋晓东博士与里查兹教授通过近30年来穿越地核的地震波研究，发现地核的对称轴比地球的旋转轴每年向东偏移1.1（其后苏维加等人认为地核比地幔自转速度每年快2-3），这就意味着地核的旋转速度比地球每年快20km（如图3-2）。此项研究成为1996年国际十大科技新成果之一，得到许多专家的赞赏。图3-2 地核的对称轴比地球的旋转轴每年向东偏移1.1 3. 此项成果具有非常重要的意义 液态外核正好成为转动快的地核与慢速转动的地幔之间的缓冲圈层；解释核幔成分的差异；解释核幔运动速度不同的现象；内核转速快的原因，可能与其保持了早期地球转速较快有关。 本节小结地球内部各种物理性质，尤其是地震波均证明，地球可分为地壳、地幔和地核三个一级圈层和一级莫霍面及古登堡不连续面，还可分出次一级圈层。它们的物质组成也有差异。地核转速比壳幔要快。 思考题 （一）基本概念地壳 地幔 地核 莫霍面 古登堡面 地磁要素 软流圈 岩石圈 （二）简述下列两组基本概念的主要区别地温梯度与地温级；变温层与常温层。 （三）回答问题 1. 简述地球内部各圈划分的主要依据。 2. 简述地球内部各界面及各圈层的主要特征。 3. 根据什么来判断地球内部是以固体为主，只有外核才是液态的？ （四）画示意图说明地球一级圈层和界面。 本节参考文献1. 李淑达动力地质学原理北京：地质出版社P1322，1994 2. 夏邦栋普通地质学北京：地质出版社P8285，2001 3. 陶世龙等地球科学概论北京：地质出版社P8088，1999 4. 曾融生固体地球物理学北京：科学出版社1984 5. Press F and Siever REarthFreeman W H and Company P613,1982 6. Song Xiaodong and Richards P GSeismological evidence for differential rotation of the Earths inner coreNature382:221224,1996 7. Su W J,Dziewenski A M and Jeanloz RPlanet within a planet-Rotation of the inner-core of the Earth Science274:18831887,1996第二节 地壳的物质组成 矿物目的要求通过矿物基本概念和基本特征的讲授，要求学生掌握矿物、晶体、矿物的化学性质及物理性质以及集合体形态等基础知识，为肉眼认识、鉴定常见矿物奠定基础。 课时：2学时 授课内容 一、元素在地壳中的分布 二、矿物 o （一） 矿物的概念 o （二） 矿物的形态与物理性质 三、地壳中的矿物种类 重点矿物的物理性质。难点结晶格子。教学方法结合教学模型，典型矿物标本启发、引导学生掌握。讲授重点内容提要 一、克拉克值（clark） 美国学者克拉克（1889）最早研究了地壳中元素的平均含量，地质学上把元素在地壳中的平均含量百分比称克拉克值。O(46.5%)、Si(27.88)、Al（8.13%）、Fe(5.71%)、Ca（3.65%）、Na (2.78%)、K(2.58%)、Mg(2.06%)约占地壳总质量的99%。 二、矿物的基本概念o （一）、矿物(mineral)自然产出且内部质点（原子、离子）排列有序的固体，其化学成分一定，并可用化学式表达。 o （二）晶体与非晶体 1. 晶体（crystal）内部质点（原子、离子）在三维空间周期性重复排列（即有序排列）的固体。 2. 晶体结构（crystal structure）质点是有序排列，晶体内部所具有的格子构造（用简单的格子构造模型说明晶面、晶棱、质点等）。 3. 同质多象（polymorphism）相同化学成分在不同条件下形成不同的晶体结构，从而成为不同的矿物（如石墨和金刚石）。 4. 类质同象（isomorphism）相同的晶体结构被类似的原子、离子代替而不破坏其晶体结构（如各类长石）。 5. 非晶质体（玻璃质）内部质点排列无序的固体（如玻璃）。 6. 双晶两个或两个以上晶体有规律生长在一起。 三、矿物形态 用典型、直观的矿物标本让学生边看边学。 o （一）、单体形态一向延长，呈针状、柱状；二向延长，呈板状、片状；三向延长，呈立方体、八面体等。 o （二）、聚合体形态粒状、块状、致密块状、放射状、晶簇、鲕状、豆状、钟乳状等。 四、光学性质 1. 透明度（transparency）透过光的能力。 2. 光泽（luster）反射光的能力。 3. 颜色（colour）吸收光后表现出的互补色。区分真、假和它色。 4. 条痕（streak）矿物粉末的颜色，是真色，有鉴定意义。 五、力学性质 o （一）、硬度（hardness）矿物抵抗外力机械作用的强度。 1. 摩氏硬度计（mohs scale of hardness）滑石石膏方解石萤石磷灰石正长石-石英黄玉刚玉金刚石123456789102. 指甲硬度为22.5，小刀硬度55.5，石英为7。 3. 摩氏硬度指相对硬度。 o （二）、解理(cleavage) 注意同“节理”区分。晶体受外力后沿结晶方向裂开的平面（用结晶格子模型讲授其成因）。 o （三）、断口（fracture）矿物受外力后不沿固定结晶方向断开时所形的断面。 二、其他性质脆性和延展性、弹性和挠性、比重、磁性、电性、发光性、味道、气味、滑腻感等。 三、常见矿物简介（用标本讲解） o （一）、自然元素矿物石墨 C（graphite） o （二）、硫化物类矿物黄铁矿 FeS2(pyrite)、 黄铜矿 CuFeS2(chalcoprite)、方铅矿 PbS(galena)、闪锌矿 ZnS(sphalerite)。 o （三）、氧化物类矿物石英 SiO2(quartz)、赤铁矿 FeO3(hematite)、磁铁矿 Fe3O4(magnetite)、褐铁矿 Fe2O3 nH2O(limonite)。 o （四）、硅酸盐矿物 1. 正（钾）长石 KAlSi3O8(potsh feldspar)和斜长石NaAlSi3O8CaAlSi3O8（feldspar）肉眼鉴定对比表（表32） 表3-2 正长石及斜长石肉眼鉴定对比表矿物正长石斜长石晶体形状常呈粗短柱状，粒状 常呈板片状，板条状或长柱状 双晶纹面上无双晶纹，有时在同一断面上可见有反光程度不同的两部分（卡氏双晶）解理面有平行细小的聚片双晶颜色肉红到白色白到灰色光泽解理面常带珍珠光泽玻璃光泽至珍珠光泽硬度666.5产状常产于酸性火成岩中，与石英、黑云母等共生常产于基性、中性火成岩中，与辉石、角闪石等共生染色实验将小块正长石置于HF酸性侵蚀13分钟，再在60%的亚硝酸钠中侵蚀510分钟，用水冲洗显柠檬黄色按左法，不染色或呈浅灰色结构上部为花岗质层（硅铝层），下部为玄武质层（硅镁层），最表层有不连续分布的松散沉积物。底部为玄武质层（硅镁层），上部为松散沉积物层，两层之间为玄武岩夹已固结的沉积岩透镜体。2. 橄榄石（Mg，Fe）2c (olivine) 3. 普通辉石（Ca，Mg，Fe，Al）2(Si，Al)2O6 (augite)和普通角闪石（hornblende）异同比较表（表3-3） 表3-2 普通辉石和普通角闪石异同比较表异同性质普通辉石普通角闪石同点颜色绿黑至黑色绿黑至黑色光泽玻璃（风化后暗淡）玻璃（风化后暗淡）硬度5656异点光泽解理面常带珍珠光泽玻璃光泽至珍珠光泽晶形多为短柱状多为长柱状横剖面多为近于方形的八边形多为近于菱形的六边形解理夹角87（93）124（56）分布基性及超基性岩中最多中性及酸性岩中最多